增强地热系统EGS的人工热储技术.doc

增强地热系统EGS的人工热储技术时间:2009-12-15 11:28来源:期刊 作者:康玲,王时龙,李川 点击: 272次论文摘要：分析了增强地热系统、干热岩发电原理，研究了系统建立人工热储的关键技术，包括人工致裂、监测、裂隙网络的连通、封闭水流循环、热储系统建模等。最后分析了芬顿山、Hijiori、苏尔士大型试验站的人工热储应用实例。 论文 关键词：增强地热系统；干 论文摘要：分析了增强地热系统、干热岩发电原理，研究了系统建立人工热储的关键技术，包括人工致裂、监测、裂隙网络的连通、封闭水流循环、热储系统建模等。最后分析了芬顿山、Hijiori、苏尔士大型试验站的人工热储应用实例。论文关键词：增强地热系统；干热岩；地热发电；人工热储一、引言地热资源作为世界各国蕈点研究开发的可再生清洁能源，分为水热型、地压型、岩浆型和干热岩型，同前世界上主要开采和利用的是水热型地热，仅占已探明地热资源的10左右。20世纪70年代，美国los Alamos国家实验窒在新墨两哥州的芬顿山，开始世界上最早的干热岩(Hot Dry Rock，HDR)研究，即开采深埋于距地表(4-6)km深处的花岗岩、花岗闪长岩等，温度在(150-650)之间的十热岩。保守估讨地壳中干热岩所蕴含的能量卡H当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。干热岩法近几年由美国等国改进为增强地热系统(EnhancedGeothermalSystems。EGS)，扩大了研究范围，利用传统水热型或干热岩资源，提高岩石渗透率，以及在干岩或缺水系统中的含水量。任何地方在容易接近的深度(5-10)kin的岩石中都可以发现大量的热，甚至在没有水的地方，在全世界范围都有重大潜力，采用EGS技术，旨在人T获取更多地热。我国在增强地热系统(或干热岩、高温岩体)领域，只有很少的理论研究，存在大量的空门领域。增强地热系统或干热岩技术的关键在于在渗透率极低的高温岩石下建立人工热储，本文进行其技术的初探。二、增强地热系统原理增强地热系统或干热岩系统，是一个闭环系统，由两个子系统组成，如图1所示。第一个子系统是地下热储层的开发建造，即从地下深埋的岩石获取地热，通过注水弗将冷水加压等致裂方法建立高渗透性的裂缝体系(人工热储)，冷水流过热储，渗进岩层缝隙吸收热量，再通过牛产井将温度达200以上的水或蒸汽提取到地面。第二个子系统是热水采出后地面发电供热系统，即将高温水采用二元发电装置，如用低沸点二次工质的有机朗肯循环，或用氨水混合物作二次工质的卡里纳循环，带动涡轮机发电，而冷却后的水则被再次注入地下热交换系统循环使用。整个过程是在一个封闭的系统内进行。在增强地热系统中，注水井和生产井数量根据不同的具体情况而异。井的配置方式有几种：一口注水井和一口生产井(两几井模式)，一口注水井和两口生产井(三口井模式)，一口注水井和四口生产井(五口井模式)。根据各国试验站经验，一般采用三口井模式，沿热储构造长轴方向布置注水井，在注水井的两侧各钻一口生产井，保证获取足够的热量。如果应用于大规模的发电站（对于干热岩发电更具体的技术资料请参考：干热岩在地热发电中的应用），采用五口井式或更多。三、人工热储的关键技术在地热资源中，热储丰要指渗透性良好的孔隙、裂隙岩层以及断裂裂隙系统。地热资源事要取决于地热梯度(地F深度和温度关系)，热储储水库岩石渗透率和裂隙，及含水量。如果在一定深度内有充足的热能、渗透率，足可以获取地热能的。地球蕴藏了丰富的热能，但是由于地理结构岩石断裂的密封，致使渗透率低，含水量少或无水。我们不能增加热能，但可以人工提岛热储含水量和渗透率，从而更多地获取丰富的地热资源，这是实施增强地热系统、建立人工热储的目的。专家预测到2020年，建立人工热储储水库的增强地热系统将提供世界发电量的(5lO)%。31人工热储的致裂致裂是建造热储层的关键之一，常用方法有水压致裂、化学致裂和爆破敏裂，使岩石裂隙打开、延伸并相交，形成相连的裂隙网，类似于天然的地热热储水库。通常采用的提高岩石渗透率的方法是水压致裂，即通过注入一定体积的水，高J压使岩石致裂。进行致裂前需做地应力研究，包括主应力强度、方位；进行致裂时采用微震监测热储裂隙状况。一般在已自j裂隙基础上进行人上致裂，最终形成的人工热储裂隙问距，取决于最初天然裂隙的间距。32热储的监测在热储形成过程中，通过注水岩石体发生微小的移动，从而引起低频压力波，与地震情况类似。因此可以在井附近钻一个浅孔，设置微震监测系统，采用高精度的地震检波器，采集大虽波形信号数据经处理，绘制热储系统的形状、结构和方位，进而确定人工热储构造的空间三维分布。采用微震技术监测热储扩张情况，并将各井裂隙相连通。监测处理的信息还可用来指导钻生产井，使其钻入深层裂缝系统；根据第一口钻井建立的热储确定钻其他井的位置、方向，以建立相互连通的裂隙网络，最大效率地将注入的水过热后抽取L来。微震监测在以后长期生产过程中，还用来监测热储热能系统的运行寿命。研究热储层应力，根据结晶质基岩受压历史和目前廊力状态可预测需要的致裂压力，及形成裂隙延伸方向；采用超声波监测、微电阻裂隙测绘、井口应力测试，可分析应力状态、已存在的裂隙的特性，致裂前后流体流动的通道。33热储的连通虽然过去的30多年里，美国的芬顿山、Coso、Geysers、Desert?Peak，英国的Rosemanowes，法国的苏尔士，只本的Hijiori、Ogachi，澳大利哑的CooperBasin、HuntefiValley，瑞典的Fjallbacka，德国的Falkenberg、Horstberg，瑞士的Basel等建立了干热岩或增强地热系统，但迄今为止试验站最大的问题在于，人工热储层的流最低于商业运作的参数要求，因此需要进一步提高人：工热储裂隙网络连通性。通过微震方法测绘人工裂隙系统的形状、结构和方位，在热储扩张到最终大小之后，可以最佳地钻进生产井，穿过热储使地下裂隙相连通，实现与地表的水流连通，形成增强地热系统闭环系统的第一个子系统。34循环注水注入热储的冷水可以为经处理的城市废水，如美国加州的Geysers蒸汽田世界上最大的干蒸汽地热田，曾在1987年为180万人供电，但之后随着地下水热资源的减少，发电量逐年减少。采用增强地热系统EGS从邻近的SantaRosa修建了约64km的管道输送经处理的废水至蒸汽田，将水源注入地下(21343048)m处的热储层，经加热之后提取蒸汽发电，装机容量达85MW。该闭环系统采用经处理的废水实现r水资源的再利用，提高了热储寿命，提高r发电的蒸汽量。在建造热储层后，应进行水流循环试验，旨在获取注入与采出流量、J区力、温度等准确的动态变化基础数据，再推导出流动阻力、注人速率与水的损失率等影响项目成败的火键性指标。如芬顿山项目第一期进行r9个月的水流循环试验，第二期又进行2个月的试验。为了探明注水井和生产井之问裂隙通道，估计体积大小，保证压力达到生产要求，且冷水不会流入生产井，需要监测注入热储的水流。注水井长期高JK注水会阻碍水流循环，使裂隙继续扩张，可能延伸至不参与热交换区域，造成流量损失。通过采用化学示踪剂，和冷水一并从注水井注入，经水流通道至热水或蒸汽，测最热储流体体积、水流通道和流量，水流循环短缺时报警。这些化学示踪剂不能与岩石或热水起化学反应，町测鼍很小浓度范围。35热储系统建模热储系统涉及到流体流量、岩石变形和热能的耦合，岩石以传导、对流、辐射等热传递形式使水加热，逐渐形成热水；随着岩体温度降低。岩体应力、变形、裂缝的张开度等发生显着的变化，影响人工热储的水流。因此，需要进行人工热储仿真建模。根据裂隙的渗透率、温度和压力变化数据建市预测模型，在多孔隙和裂隙系统建市岩石一流体一热能耦合的模型等。2005年Sanyal和Buffer采用三维有限元建模研究r热储的断裂体积、间距、渗透率、孔隙和井的结构，研究得出通过改变渗透率、流量、裂隙间距、各井间距、注水井和生产井模式及裂隙体积，影响热能最大的唯一因素是裂隙体积。 四、人工热储技术的应用41芬顿山试验站美国于1974年在芬顿山建立干热岩试验站，钻井至2000m处约200的花岗岩，然后往井中注入20的常温水，在高压下花岗岩产生裂缝，形成千热岩热储。随后用高精度的地震检波器确定热储区的形状、结构和方位，再在离注水井不远处钻井穿透热储从中抽取超临界热水。随后在1978年到1980年进行了为期9个月的流水循环试验。这一期热储构造形成时共注入了200m3,压强高达12MPa的水，但形成的热储较小，并在不久以后裂隙又闭合。不久后又重新注入了2300m3的水，最高压力达195MPa，从而重新建立起更大的热储区。第二期干热岩热储建立于1980年，地下深度3500m，裂隙体系为东北向，流量损失小于10，输出热能约为5MWth。42 Hijiori试验站日本新能源与工业技术发展组织(NEDO)于1985年在火山口处的Hijiori建立了干热抽式验站，1991年，从1800m的地下裂隙系统成功抽出了热能，SKG-2为注水井，HDR一1、HDR-2和HDR-3为生产井。1992年，又建市了2200m的热储层，温度达270。1995、1996年，通过注水井(HDR1)和生产井(HDR_2、HDR-3)抽取热能，流量损失约25，输出热能约为7MWthno热储层和各井结构，如图2所示。43苏尔士试验站德国和法国于1986年联合在苏尔士开展岩体热能利用项目，第一阶段(19871997年)在3900m处建立岩石裂隙网，温度超过165。经过一系列的水压测试，包括长达几个月的水流循环测试，得到水流持续循环的技术参数：注入流量为25L/S，超过140，注水井和生产井两井相距450m，没有流量损失，仅需水泵功率250KWe，输出热能达10MWth。第二阶段(1998-2001年)将生产井GPK2继续钻井到5000m深，建立新的热储层，温度达200。在1500m处又钻了微地震监测井。第三阶段(20012004年)采用注水井和两门生产井的三口井方式，新钻井GPK3(注水井)到5000m深，距GPK2约600m，两井下人工热储裂隙系统连通；新钻生产井GPK4同样到5000m深，距GPK3约600m，建立人工热储与已建立的热储连通，形成高渗透的裂隙系统。第四阶段(20052008年)采用二口井模式实现增强地热系统，注水井流量100kgs，生产井均为50kg/s，装机为6MWe。五、结论基于干热岩发展的增强地热系统EGS技术，可以最大力度地开采分布在全球的丰富地热资源，有效地利用可再生能源，对环境没有影响，不受气候限制，价格上有竞争力。然而我国目前在该领域的研究基本愀起步，需要借鉴其他闰家宅贵的经验和知识。研究了人工热储的关键技术，以实现在地下高温岩石下致裂建立符合需求的热储层，并在闭环系统内循环注水，达到发电站参数需求。在人上热储技术领域，研究天然和人工裂隙特性、优化人工热储裂隙网相通性、改进流量较小的裂隙通道、流体数值分析、系统运行过程的热储诊断、校正热储过程模型等，是全球有待研究和发展的技术。干热岩在地热发电中的应用时间:2009-11-23 10:46来源: 作者:秩名 点击: 176次摘要 干热岩作为一种可再生的清洁能源,可在 地热发电开发 中得到应用。介绍了利用干热岩地热发电的流程和研究进展,并与其它发电方式进行了比较。结果表明,干热岩地热发电不仅可大幅降低温室效应和酸雨对环境污染的影响而且具有电价竞争力。 关键词 干热 摘要干热岩作为一种可再生的清洁能源,可在地热发电开发中得到应用。介绍了利用干热岩地热发电的流程和研究进展,并与其它发电方式进行了比较。结果表明,干热岩地热发电不仅可大幅降低温室效应和酸雨对环境污染的影响而且具有电价竞争力。关键词干热岩;可再生资源;地热发电 APPLICATION OF DRY HOT ROCK IN GEOTHERMAL POWER GENERATION Li Chuan， WANG Shi-long， ZHANF Xian-ming ,KANG Ling Chongqing University of Indust ry and Business ,Chongqing 400067 ,PRCAbstract :Regard as regenerativable clean energy ,the dry hot rock can be used in geothermal power generation. The process and research achievement of geothermal power generation using dry hot rock have been presented ,and comparision with other power generation modes being carried out .Key words :geothermal ;dry hot rock ;power generation ; regenerativable energy世界上迄今利用的地热能为距地表10km以内的热能,已探明的地热资源约为12.61026J,相当于全球煤的经济可采储量所含热量的7万多倍。干热岩(HDR)是由地球深处的辐射或固化岩浆的作用,在地壳中蕴藏的一种不存在水或蒸汽的高温岩体,地球上的干热岩资源占已探明地热资源的30%左右,其中距地表4km6km岩体温度为200的热干岩具有较高的开采和利用价值1。干热岩发电利用干热岩发电与传统的热电站发电的区别主要是采热方式不同(图1)：干热岩地热发电的流程为:注入井将低温水输入热储水库中,经过高温岩体加热后,在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。发电后将冷却水排至注入井中,重新循环,反复利用。在此闭合回流系统中不排放废水、废物、废气,对环境没有影响。天然的干热岩没有热储水库,需在岩体内部形成网裂缝,以使注入的冷水能够被干热岩体加热形成一定容量的人工热储水库。人工网裂缝热储水库可采用水压法、化学法或定向微爆法形成。其中,水压法应用最广,它是向注水井高压注入低温水,然后经过干热岩加热产生非常高的压力。在岩体致密无裂隙的情况下,高压水会使岩体在垂直最小地应力方向上产生许多裂缝。若岩体中本来就有少量天然节理,则高压水会先向天然节理中运移,形成更大的裂缝,其裂缝方向受地应力系统的影响。随着低温水的不断注入,裂缝持续增加、扩大,并相互连通,最终形成面状的人工热储水库,而其外围仍然保持原来的状态。由于人工热储水库在地面以下,可利用微震监测系统、化学示踪剂、声发射测量等方法监测,并反演出人工热储水库构造的空间三维分布。从生产井提取到高温水、蒸汽等中间介质后,即可采用常规地热发电的方式发电,包括直接蒸汽法、扩容法以及中间介质法等2。由于直接蒸汽法要求从井下取出高温蒸汽,效率较低,因此应用较少。扩容法是将生产井中的热水先输送至扩容器,通过减压扩容产生的蒸汽推动汽轮机发电。我国西藏羊八井地热电站即属扩容法地热发电。目前研究较多的是应用中间介质法地热发电,例如有机兰金循环和卡里纳循环等3。蒸发器是中间介质法干热岩发电的关键设备,地热水通过蒸发器把低沸点物质加热,使其产生高压蒸汽并通过汽轮机发电,做完功的排气在冷凝器中被还原成液态低沸点物质。应用实例从1985年开始,日本新能源与工业技术开发组织(NEDO)在Hijiori实验站开始了对干热岩发电的钻探、水压人工裂石、裂隙构图、人工热储水库等关键技术的研究4。1991年,该实验站通过一个注水井(SKG22)和3个生产井(HDR21、HDR22和HDR23),将地下1800m温度为250的热水和蒸汽抽出。其中,渗漏的水大约占注入水的20%,其余的经生产井回收,热